水工混凝土受弯构件试验破坏分析

刘春伟（临沂市水利局，山东临沂276400）



水工混凝土受弯构件试验破坏分析

刘春伟
（临沂市水利局，山东临沂276400）

【摘要】本次试验选择5根混凝土梁，根据设计的加固方案，对各梁进行加固。通过观察各梁在加载过程中的变化，根据试验观测数据分析得出梁的受力性能。从试验结果看，复合加固后梁的极限承载力有了显著提高，裂缝开展较慢。

【关键词】预应力；CFRP；钢板；钢筋混凝土；受弯构件

1　试验方案设计

1.1构件设计

试验选择5根试件，所有试件混凝土采用C20，配筋率为0.7%，箍筋采用Φ8@100钢筋，配箍率0.67%，架立筋2Φ8，纵筋采用2Φ12钢筋，截面采用250 mm×150 mm矩形截面，梁长2 500 mm，经截面验算不会先发生斜截面剪切破坏，加固方案详见表1。

表1　加固方案

1.2测点布置

本试验是受弯构件的加固实验，拟在荷载分配梁二分点所对应的混凝土梁截面及跨中截面侧面贴应变片，侧面拟贴五个测点，①号测点在梁底，②号测点位于截面1/4高处，③号测点位于截面1/2高处，④号测点在截面3/4高处，⑤号测点在梁顶，如粘贴有钢板的梁，则粘帖在钢板上。梁顶面边缘布置⑥号测点，以量测顶面混凝土在施加预应力时的应变情况。在相应截面底面纵筋贴应变片，测量纵筋应变。并在底面距跨中540mm的两侧位置的CFRP布置⑦、⑧号测点，在跨中布置⑨号测点，以量测CFRP应变，并可测量施加预应力的大小。

2　加载过程

对试件预加载，检查各仪器的工作性能，然后以极限荷载10%为级度逐级加载，各级载间停5 min，加载速率约为1 kN/min。

3　试验结果及分析

3.1梁破坏过程

未加固梁B1的破坏过程是：承载力加载至15.8 kN，在纯弯段出现明显的竖向裂缝。然后，随着荷载的增加，裂缝宽度明显变大，裂缝条数增多。最后，跨中百分表指针剧烈摆动，挠度增大，根本无法读数。依照混凝土构件破坏标志，应该认定混凝土梁已破坏。

梁B2的破坏过程：加载至20 kN，在距离梁中心15 cm处出现微小裂缝，宽0.1 mm，长4 cm。随着荷载的不断增加，此裂缝宽度明显变大。当荷载加至61.6 kN时，听见梁底出现咔咔的响声，碳纤维布与梁底粘结面逐渐分离。百分表指针剧烈转动，挠度增大。随后碳纤维布发出砰的一声断裂，距离中心30 cm处有混凝土碎屑掉落，出现剥离破坏。

梁B3的破坏过程：承载力加载至24 kN，在距离梁中心11.5 cm处出现微小裂缝，长3 cm。当荷载加至68 kN时，听见梁底左端发出咔咔的响声，第四条裂缝宽0.41 mm。加载至72 kN时，梁底右端发出咔咔的响声。加载至74.4 kN时，百分表指针剧烈转动，挠度急剧增大，右端部拉锚一体化机具附近碳纤维布发出砰的一声断裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出现剥离破坏。主要裂缝基本均匀分布。

梁B4的破坏过程：承载力加载至22 kN，在距离中心15 cm处出现，微小裂缝，宽0.2 mm，长1 cm。随着荷载的不断增加，此裂缝宽度明显变大，裂缝条数增多，钢筋与碳纤维布应变不断增大，加载至66 kN，百分表读数变化也越来越快。当荷载加至67.8 kN时，听见梁底发出咔咔的响声。加载至71.2 kN时，梁底发出更厉害的咔咔响声。加载至74.6 kN时，百分表指针剧烈转动，挠度急剧增大，碳纤维布发出砰的一声断裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出现剥离破坏，端部U型箍也出现破坏。主要裂缝基本均匀分布。

梁B5的破坏过程：开裂时首先出现毛细裂缝，长1.5 cm。加载至58 kN，梁底碳纤维布发出咝咝的响声。当荷载加至70 kN时，梁右端出现剥离，碳纤维布发出咔咔的响声。加载至74.6 kN时，梁左端碳纤维布发出砰的一声断裂，梁底有混凝土碎屑掉落，出现剥离破坏，钢板与混凝土面剥离，受压区混凝土压碎，左端机具锚栓剪断。主要裂缝基本均匀分布。左端出现剥离，钢板出现剥离，受压区混凝土破坏，布未拉断，左端锚固装置销钉一根弯曲，一根断裂，滚轴出现滑移，受压区混凝土破坏可能与此有关。

3.2梁破坏现象分析

未加固梁开裂较早，梁B1在荷载达到15.8 kN开裂，裂缝发展较快，破坏时梁挠度急剧增加。与为加固梁相比，预应力加固梁开裂较晚，梁B3、B5分别在荷载达到24 kN、22 kN开裂，梁开裂后裂缝开展较慢，随着荷载的增加，梁不断出现微小裂缝，裂缝间距较未加固梁均匀。

除未加固梁B1，其他梁破坏时均有混凝土碎屑掉落，粘结层有不同程度的脱离加固面，梁B3碳纤维布在拉锚一体化机具附近断裂，梁B4锚固箍发生断裂，由于U型箍的作用，明显抑制了碳纤维布的剥离，梁B5由于机具内锚栓突然断裂，混凝土应力急剧增加，受压区混凝土发生破坏，有大量混凝土碎屑掉落，跨中位置钢板与加固面发生剥离。由此可见，梁发生破坏时，碳纤维布充分参与了工作，但梁B2、B5粘结面处理不是非常好，破坏时粘结面局部发生剥离。

在同等荷载下加固梁纵筋应变均比未加固梁纵筋应变大，荷载应变曲线斜率较大，说明碳纤维布参与了工作，使加固梁纵筋应变变小，受拉区荷载由碳纤维布和钢筋共同承担。特别是预应力梁B3、B5纵筋应变比其他加固梁纵筋应变小，说明预应力对钢筋施加了预压作用。

4　结语

1）碳纤维布加固钢筋混凝土梁后，梁的承载力提高，提高程度与碳纤维布用量密切相关，但提高程度与用量不成正比。碳纤维布在加固构件时不宜过多，用量过大会造成构件超筋破坏，使碳纤维布不能充分发挥其高强性能。本次试验均粘贴三层碳纤维布加固混凝土梁，主要研究预应力碳纤维布加固混凝土梁的力学性能。

2）粘贴碳纤维布的混凝土梁开裂荷载、屈服荷载、极限荷载都有很大提高。例如B2开裂荷载提高26.58%，屈服荷载提高52.03%，极限荷载提高54%；B3开裂荷载提高51.9%，屈服荷载提高65.54%，极限荷载提高86%；B4开裂荷载提高39.24%，屈服荷载提高59.46%，极限荷载提高86.5%；B5开裂荷载提高39.24%，屈服荷载提高68.24%，极限荷载提高86.5%。

3）粘贴钢板会显著提高混凝土的屈服承载力，如B3开裂荷载提高51.9%，屈服荷载提高65.54%，极限荷载提高86%。由于B5梁拉锚一体化机具锚栓突然断裂，导致碳纤维布承载力急剧卸除，梁发生破坏，所以加强锚栓强度后，其极限承载力还有提高空间。但从试验数据看，粘贴钢板面积过小，与不加钢板的梁比较，承载力提高效果不明显。如果增大钢板面积，承载力会有较大提高，以后研究中可尝试加大钢板截面积。

（责任编辑迟明春）

【中图分类号】TV3

【文献标识码】B

【文章编号】1009-6159（2016）-03-0007-02

收稿日期：2015-05-11

作者简介：刘春伟（1982—），男，工程师